دانلود پروژه رشته برق در مورد احتراق ذرات – قسمت اول

دانلود پایان نامه

-1- مقدمه ای بر و ]1و2[

مواد جامد بسیاری وجود دارند كه قابلیت احتراق داشته و در صورتیكه شرایط محیطی صحبت اشتعال آن فراهم شود، شروع به سوختن می نمایند. این شرایط كه در نهایت منجر به ایجاد یك جرقه می گردد تا حدود زیادی به طبیعت و ابعاد ذره جامد بستگی دارد. معمولاً قابلیت احتراق ذرات جامد با كاهش اندازه آنها به شدت افزایش می‌یابد به خصوص اگر ذرات جامد به شكل پودر و یا غبار درآیند كه در اینصورت شرایط جهت احتراق به مراتب مساعدتر می گردد و در این حالت نه تنها سریع‌تر محترق گشته بلكه سرعت سوزش آنها نیز افزایش می یابد. دلیل این امر به میزان اكسیژن نفوذ كرده به داخل توده ذرات بر می گردد. در واقع در حالت فوق الذكر هوا یا اكسیژن راحت تر به درون توده ذرات نفوذ كرده و افت حرارتی سطح سوزش كمتر می تواند به داخل جسم رخنه كند.

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

هنگامی كه فاصله بین ذرات زیاد می شود، زمینه مناسب جهت سوختن سریع مهیا می گردد، چرا كه هوای كافی جهت احتراق، بین ذرات قرار می گیرد. حال اگر این پتانسیل بالا كه در احتراق ذرات ریز جامد وجود دارد خارج از كنترل به فعالیت در آید می تواند باعث خطرات فاجعه آمیز و آسیب دیدگی اقرار شود. چرا كه نرخ سریع سوزش ذرات بر روی تغییرات فشار اثر گذاشته و باعث گستردگی شعله می گردد.

ذراتی كه در اكثر صنایع وجود دارد، قابل احتراق می باشند. این ذرات ممكن است مستقیماً ترمیم گردند و یا در در اثر سایر تولیدات صنایع بوجود آیند بعنوان مثال می‌توان از ذره آرد، شكر، ذرت، پلاستیك ها و فلزات زغالسنگ و مواد دارویی كه مستقیماً در صنایع تولید می شوند نام برد.

از جمله ذرایت كه به صورت ناخواسته و در هنگام تولیدات صنعتی بوجود می‌آیند، براده های چوب، كرك و منسوجات و انواع دیگر براده ها می باشد. در هر صورت همگی این ذرات قابلیت احتراق داشته و در صورت فراهم شدن شرایط اشتعال و یا انفجار بسیار خطرناك می باشند. این انفجارها معمولاً زمانی رخ می دهد كه ذرات در هوا پراكنده می گردند و منبع جهت ایجاد جرقه وجود داشته باشد، در حالیكه آتش سوزی ذرات در حالات توده ای، لایه ای و غیره می تواند رخ دهد. ذكر این نكته ضروری است كه سرعت انتشار انفجار ناشی از ذرات به قدری زیاد است كه می توان گفت اگر انفجار رخ دهد تلاش در جهت خنثی كردن اثرات زیانبار آن بیهوده است.

به طور كلی مجموع مباحث موجود در احتراق ذرات ریز جامد را می توان در دو بحث عمده «تكنولوژی مدرن احتراق» و «پیشگیری و ایمنی» خلاصه نمود. امروزه احتراق ذرات ریز جامد به لحاظ تكنولوژی مدرن احتراق در صنایع نظامی و صنایع هوا فضا كاربردهای متنوع و متعددی دارد كه از آن جمله می توان به استفاده از ذرات فلزی در سوخت موشكهای جامد سوز به منظور افزایش پایداری احتراق و افزایش راندمان احتراق اشاره نمود. در واقع ارزش سوخت جامد كه تولید انرژی فراوان مشخصه بارز آن بوده زمانی نایابتر می گردد كه محدودیت حجمی و وزنی وجود داشته باشد.

از طرفی وجود غبار ذرات در صنایع باعث ایجاد مشكلات عدیده ای می گردد كه پیشتر تشریح شد. مطالب ذكر شده مبین این مطلب بوده كه جهت جلوگیری از انفجارهای ناخواسته غبار ذرات در صنایع و استفاده بهینه از ذرات فلزی در موشكها، نیاز به فعالیتهای تحقیقاتی مناسب می باشد. در این راستا شناخت مكانیزم انتشار شعله ذرات ریز جامد در ابری از ذرات، هدف مطالعاتی بسیاری از محققین در این زمینه می‌باشد. برای شناخت این مكانیزم عمدتاً پارامترهایی نظیر سرعت سوزش و فاصله خاموشی مورد بررسی و مطالعه قرار می گیرد.

ضمناً ذكر این نكته ضروری است كه در مبحث اشتعال و ذرات تعریف واحدی در خصوص عبارت ذره وجود نداشته و در عمل عبارت ذره و پودر بدون هیچ فرقی استفاده می گردند. برای اهداف موجود در این پایان نامه هر دو عبارت قابل استفاده بوده ولی در بیشتر موارد از عبارت ذره استفاده گردیده است. البته این نامگذاری را می‌توان براساس قطر انجام داد. بر طبق استاندارد انگلیسی، ذرات با قطر كمتر از یك میكرون را دور یا غبار و ذرات بزرگتر از یك میكرون را ذره و ذرات با ماكزیمم ابعاد كمتر از هزار میكرون را پودر می نامند.

1-2- تاریخچه احتراق

بیش از صد سال قبل، انفجار در معادن زغال سنگ تنها بواسطه وجود ذرات، پذیرفته شده بود. هنگامی قضیه احتراق ذرات از اهمیت بیشتری برخوردار شد كه در سده اخیر انفجاراتی در صنایع بیشمار دیگری كه ما ذرات سر و كار داشتند به وقوع پیوست و خطرات انفجار ذرات و نیاز به توجهات كافی در مورد آنرا یادآور شد. انفجارات مهم به ثبت رسیده در ایالات متحده و كانادا از سال 1860 میلادی شامل معادن زغال سنگ نشانگر خرابیهای فراوان به بار آمده در كارخانه ها و بناها می‌باشد. در انگلستان آماری از تعداد انفجارها و تلفات ناشی از آن ارائه گردیده است. ولی تعداد میانگین انفجار ذرات در این كشور در سالهای اخیر 2 تا 3 مورد در ماه گزارش گردیده است.

1-3- مروری بر ادبیات احتراق

جهت شناخت و بررسی رفتار احتراقی ذرات ریز جامد لازم است مفاهیم اولیه و پارامترهای احتراقی ذرات جامد نظیر انواع شعله ها، دمای آدیاباتیك شعله، سرعت انتشار، سرعت سوزش، شعله آرام، شعله آشفته و… مورد مطالعه قرار گیرد. در این بخش به ذكر مفاهیم و تعاریف موارد فوق الذكر می پردازیم.

1-3-1- انواع شعله های اساسی ]3[

در فرایندهای احتراق، سوخت و اكسید كننده مخلوط شده و می سوزند. احتراق را بر اساس زمان مخلوط شدن سوخت و اكسید كننده به دو دسته پیش آمیخته[1] و غیر پیش آمیخته[2] تقسیم می كنند. به آن دسته از شعله هایی كه در آن سوخت و اكسید كننده پیش از احتراق مخلوط می شوند شعله پیش آمیخته و به آن دسته از شعله هایی كه در آن فرایند احتراق و مخلوط شدن سوخت و اكسیدایزر به صورت همزمان رخ می‌دهد شعله غیر پیش آمیخته گفته می شود. شكل (1-1) نمایی از یك شعله پیش آمیخته و شكل (1-2) یك شعله غیر پیش آمیخته را نشان می دهد.

1-3-2- دمای آریاباتیك شعله و شعله آریاباتیك

در یك فرایند احتراقی كه به صورت آریاباتیك انجام شده باشد، درجه حرارت محصولات احتراق را دمای آریاباتیك شعله می نامند. در واقع دمای آریاباتیك شعله با فرض اینكه تغییری در انرژی جنبشی و پتانسیل رخ ندهد و كاری انجام نشود، حداكثر مقداری است كه مواد اولیه پس از احتراق به آن می رسند. چون هیچ انتقال حرارتی انجام نمی گیرد و هیچ احتراق ناقصی باعث كاهش دمای محصولات نمی‌شود. البته واقعیت این است كه تمام شعله ها حرارت خود را به محیط اطراف منتقل می كنند. ولی اغلب در بررسیهای تئوریك شعله، آن را آریاباتیك فرض می‌كنند. برای نزدیك شدن به طرح آریاباتیك شعله، می توان شعله را در یك لوله و یا چراغی كه با محیط اطراف خود تبادل حرارتی كم و خیلی سریع داشته، در نظر گرفت.

در انتشار شعله در یك كانال باریك، از آنجا كه قطر كانال كوچك تر از طول آزاد انتشار تشعشع در مخلوط ذرات ساكن می باشد، بنابراین تشعشع حاصل از پیشانی شعله و ناحیه محصولات احتراق در عبور از كانالها، به طور كامل بوسیله دیوارهای كانال جذب می شود.

1-3-3- احتراق ابر ذرات ]4[

احتراق ابر ذرات مدلی برای بررسی پارامترهای شعله و رفتار احتراقی ذرات ریز جامد می باشد. در این مدل از گسترش شعله در میان ابری از ذرات به عنوان بحث پایه جهت تحلیل پارامترهای احتراقی استفاده می گردد. ابر ذرات شامل مجموعه نسبتاً یكنواختی از ذرات می باشد كه دارای قطر متوسط پایین هستند. در احتراق ابر ذرات كه ایجاد ابر ذرات یكنواخت از جمله الزامات آن است، نوع سیستم پراكنش مهم می‌باشد.

همچنین اندازه قطر ذرات در احتراق ابر ذرات نقشی به سزا دارد. به طوریكه هرچه اندازه قطر ذرات كم شود، احتراق در ابر ذرات می تواند خیلی سریعتر انجام شده و حتی انفجارهای جدی و خطرناكی را بوجود آورد. به این ترتیب با توجه به مطالعات تجربی، ذرات با قطر كمتر از 100 میكرون می توانند خصوصیات ابر ذرات یكنواخت جهت احتراق ابر ذرات را داشته باشند.

بعلاوه ابر ذرات فلزی كه نقطه جوش آنها بیشتر از دمای شعله می باشد جهت انجام مطالعات پایه مناسبترین می باشد. احتراق ابر ذرات فلزی به سبب خصوصیات بارز آن در تولید انرژی، مدتهاست كه هدف مطالعات محققین در این زمینه می باشد. اشكال (1-3) و (1-4) تصاویری از احتراق ابر ذرات می باشد كه توسط دوربین سرعت بالا در آزمایشگاه تحقیقاتی احتراق دانشكده مكانیك دانشگاه علم و صنعت ایران بدست آمده است.

1-3-4- احتراق تك ذره

احتراق تك ذره مدلی است كه در آن یك ذره ریز جهت شناسایی رفتار احتراقی محترق می گردد. در واقع احتراق تك ذره یك نوع مطالعه در ابعاد میكروسكوپی می‌باشد. در این زمینه می توان به كارهای Edward L.Dreizin اشاره نمود. ولی با محترق نمودن یك ذره آلومینیوم در محفظه ای خاص، ویژگیهای احتراق آلومینیوم نظیر نوارهای روشنایی، تغییرات سرعت ذرات سرزنده، زمان احتراق، تاثیر اكسیدایزر بر احتراق، انفجارهای كوچك در پایان احتراق، احتراق غیر متقارن و… را مورد بررسی قرار داده است ]5و6[. شكل (1-5) احتراق یك تك ذره را نشان می دهد. در خصوص احتراق تك ذره در بخش بعد به طور مفصل بحث خواهد شد.

1-3-5- شعله آرام

شعله آرام عبارتست از یك لایه نازك و بدون اعوجاج و صاف كه در ناحیه مخلوط سوخته نشده و محصولات احتراق را از یكدیگر جدا می كند. برای ایجاد یك شعله آرام، یكی از مشكلات حضور نیروی جاذبه است. در محیطهای غیر همگن، مانند مخلوط ذرات ریز جامد و هوا، ذرات تحت تاثیر نیروی جاذبه به مرور ته نشین می‌شوند و همین امر باعث افزایش غلظت سوخت و پیرو آن ایجاد شعله آشفته می‌گردد. با توجه به اهمیت نیروی جاذبه در بروز مشكلات آزمایشگاهی، روشها و مكانیزمهای متفاوتی برای توزیع ذرات پیشنهاد شده است كه هر كدام به نوعی سعی در حذف و یا كاهش اثر جاذبه در جریان آزمایشات دارند كه از آن جمله می توان به روش جاذبه ضعیف[3]]7[، روش جاذبه صفر]8[، تعمیق ذرات به روش الكتروستاتیكی[4]]9[، تعمیق استاتیكی به روش الكتروستاتیكی[5]]9[، روش تعمیق ناگهانی[6]]10[ و روش بستر سیالی شده[7]]11[ اشاره نمود.

در ناحیه‌ای كه شعله آرام تشكیل می شود، شعله با سرعت ثابت منتشر می‌گردد. پیشانی شعله آرام، بدون اعوجاج و تقریباً تخت و یا سهمی شكل می باشد. شكل
(1-6) تصویری از شعله آرام ابر ذرات آلومینیوم را در مخلوطی از اكسیژن- نیتروژن نشان می دهد.

1-3-6- شعله آشفته

از مشخصه های كلی احتراق ابر ذرات، وجود اغتشاش قابل ملاحظه در مخلوط نسوخته قبل از عبور شعله می باشد. در این حالت در صورتیكه غلظت ذرات جهت ایجاد شعله آشفته مناسب باشد، شعله آشفته تشكیل می گردد. در یك شعله آشفته، شعله به یك ناحیه واكنش توزیع شده تبدیل نمی شود. بلكه به نواحی واكنش متنوع تقسیم می گردد ]12[. در ناحیه ای كه شعله آشفته تشكیل می گردد، سرعت شعله با شتاب زیادی افزایش می یابد. پیشانی شعله آشفته دارای اعوجاجهای نامنظم و اشكال مختلف می باشد كه از آن جمله می توان به چین خوردگیهای نامنظم، وجود ورتكسها در پیشانی و … اشاره نمود. شكل (1-7) تصویری از یك شعله آشفته را نشان می‌دهد.

1-3-7- سرعت انتشار شعله

در محیط ذرات ریز جامد با ایجاد جرقه مناسب، شعله ای ایجاد گردیده و در صورتی كه بستر سیال محتوی ذرات جهت انتشار شعله مناسب باشد، شعله با سرعت خاصی كه بستگی به غلظت ذرات و نوع گاز تركیبی با ذرات دارد، شروع به حركت می‌نماید. سرعت انتشار شعله یكی از پارامترهای دینامیكی مهم در شعله بوده و كمك بسزایی در جهت شناخت آن می نماید.

سرعت شعله تابعی از غلظت ذرات ریز جامد می باشد و با تغییر غلظت ذرات سرعت انتشار شعله در محیط ذرات ریز جامد تغییر می نماید. جهت اندازه گیری سرعت شعله می توان از روشهای تصویر برداری و یا سنسورهای مناسب استفاده كرد. شكل (1-8) نشان دهنده تغییرات سریعت شعله به صورت تابعی از غلظت ذرات می‌باشد.

1-3-8- سرعت سوزش[8]

سرعت سوزش نرخ تبدیل ناحیه سوخته نشده به ناحیه سوخته شده می باشد. سرعت سوزش ذرات یكی از مهمترین كمیتهای مورد نظر ما بوده كه اندازه گیری آن به طور مستقیم امكان پذیر نمی باشد. برای بدست آوردن سرعت سوزش باید ابتدا مقدار سرعت انتشار شعله را بدست آورد و سپس بر نسبت سطح شعله به سطح لوله آزمایش احتراق ذرات كه برای تمام غلظتها تقریباً برابر 5/1 الی 2 می باشد تقسیم نمود. شكل (1-9) نشان دهنده سرعت سوزش برحسب غلظت ذرات می باشد.

1-3-9- ضخامت شعله[9]

ضخامت شعله كه با نماد نشان داده می شود، عبارت از یك لایه بسیار نازك بوده كه دو ناحیه سوخته نشده و سوخته شده را از هم جدا می نماید. اندازه گیری ضخامت شعله ذرات ریز جامد به دلیل پیچیدگیهایی كه دارد و بدلیل تاثیر غلظت ذرات بر آن كار بسیار مشكلی می باشد. به این ترتیب كه برابر قرار دادن نرخ حرارت تولید شده در شعله با نرخ حرارت تلف شده از ناحیه شعله در جدار لوله، ضخامت شعله برحسب فاصله خاموشی بدست می آید.

1-3-10- فاصله خاموشی شعله[10]

فاصله ایست كه شعله در بین صفحاتی كه در مسیر حركتش قرار می گیرد خاموش می‌گردد. این فاصله معمولاً بین 7-3 میلی متر می باشد. فاصله خاموشی كه با نماد dq نشان داده می شود، یكی از بنیادی ترین پارامترهای دینامیكی شعله می باشد.

1-3-11- خاموشی شعله[11]]13[

مسئله اصلی در خاموشی شعله تعیین حداكثر اندازه گذرگاههایی از قبیل قطر لوله، اندازه مجرا یا فاصله بین صفحاتی است كه شعله از میان آنها نتواند عبور كند. اگر شعله بخواهد منتشر شود، آزاد شدن انرژی در اثر واكنش شیمیایی باید بتواند درجه حرارت ناحیه واكنش را به اندازه كافی بالا ببرد تا واكنش سریع، تقویت گردد. اگر انتقال حرارت به سطوح اطراف به اندازه كافی زیاد باشد، دما افت پیدا خواهد كرد و واكنش كند می گردد. همانطور كه واكنش كند می گردد، نرخ آزاد شدن انرژی پایین آمده و درجه حرارت به زیر دمای اشتعال نزول پیدا خواهد كرد و شعله خاموش می‌شود. همین پدیده نیز در محفظه‌های احتراق در جاییكه دمای لایه مرزی نزدیك سطوح فلزی، به پایین تر از دمای اشتعال می رسد مشاهده می شود.

برای یك مخلوط مشخص، چندین اندازه لوله (d0) وجود دارد كه شعله دیگر نمی‌تواند منتشر گردد؛ اندازه لوله تا جاییكه هیچ شعله ای در آن نتواند منتشر شود، كم می گردد. ممكن است لوله با صفحات موازی (شكافهای مستطیلی) یا با یك شكل مخروطی جایگزین گردد. در حالت مخروطی شكل، شعله در طرف بزرگ مخروط شروع شده و در موقعیتی كه شعله خاموش می گردد، قطر خاموشی تعیین می‌گردد.

فاصله خاموشی d0 به شكل دیواره ها، نوع سوخت، استوكیومتری، فشار، درجه حرارت شركت كننده ها و آشفتگی بستگی دارد. نمودارهای فاصله خاموشی در برابر نسبت تعادلی به صورت یك سهمی با یك مینیمم در قسمت غلیظ نسبت استوكیومتریك می باشند. در طرف رقیق، فاصله خاموشی با عكس سرعت سوزش متناسب می باشد. با افزایش وزن مولكولی سوخت در قسمت غلیظ، فاصله خاموشی به طور جزئی كاهش می یابد. برای مخلوط پروپان- هوا شكلهای (1-10) و (1-11) داده های فاصله خاموشی موازی را نشان می دهند. فاصله خاموشی تقریباً با عكس فشار متناسب می باشد. برای نسبت استوكیومتریك پروپان- هوا، d0­ با p-0.88 متناسب بوده ولی برای هیدروژن هوا d0 با p-1.14 متناسب می باشد. بعنوان یك تقریب اگر سرعت سوزش با توان S فشار متناسب باشد آنگاه برای فشارهای پایین، d0 با p (1+S) متناسب خواهد شد. اثر درجه حرارت شركت كننده T0 روی فاصله خاموشی توسط این فرمول تقریبی d0V1/T0=cte بدست می آید.

اثر آشفتگی كمتر محسوس بوده اما با افزایش آشفتگی، انتقال حرارت افزایش یافته، بنابراین فاصله خاموشی نیز افزایش خواهد یافت. اثرات هیدرودینامیكی دیگر از قبیل شناوری روی فاصله خاموشی نیز مشهود است. برای شعله های رقیق در لوله ها، فاصله خاموشی در پایین دست نسبت به بالا دست جریان، 10 درصد بیشتر است. برای شعله های غلیظ ممكن است ناپایداری اتفاق بیفتد و پدیده خاموشی خیلی پیچیده‌تر می شود.

كلاً اثرات دیواره به علت انتقال حرارت بوده نه در اثر نفوذ اجزاء كه به نظر نمی‌رسد روكش دار كردن دیواره ها بر روی خاموشی اثر جزئی داشته باشد.

1-3-12- حداقل انرژی جرقه

منظور از حداقل انرژی جرقه كه با نماد E min نشان داده می شود، مقدار انرژیی است كه باید توسط منبع جرقه به كار گرفته شود تا احتراق شروع شود. بنابراین در انرژی بیشتر نیز می توان جرقه و در نتیجه احتراق داشت ولی نكته حائز اهمیت در حداقل انرژی جرقه، بحث بهینه سازی است.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment